「铜金刚石+纯铜」复合散热结构！拆解分层-绿激光3D打印一体式散热方案

铜金刚石复合材料是今年涌入3D打印领域的一种“新材料”，它的导热系数是纯铜的1.5倍-2.5倍，已成为英伟达、华为两大巨头的共同选项。

关于该材料的3D打印也迎来新进展，希禾材料近日宣布，已成功采用绿激光技术在铜金刚石复合材料基板上实现高效、高质量的纯铜嫁接打印，打印成形区域致密度超过99%。

笔者进一步查询了英伟达的散热方案，其本身就并非是采用铜金刚石来代替纯铜来制造液冷板，而是一个包含多类材料的多层级结构。

希禾增材此次取得的突破，与这一散热结构方案高度相关。

相关资料指出，散热系统是一个多层级的工程结构，包含了多种材料和结构。

以英伟达量产方案为例，芯片背面首先是高导热的石墨界面层，用来填充间隙使表面平整。之后是铜金刚石复合散热基板，它的作用是把局部集中的热点摊开到更大的平面上。但笔者查询到，这个基板内并不包含液冷通道，而是一块实体板材。再往外，是一体式的大尺寸微通道铜液冷板，通过流体循环带走全部热量。

MSI的钻石-铜复合底板

可在查询到这些知识之前，笔者还以为是用铜金刚石复合材料代替了纯铜。

金刚石的密度只有铜的一半，但导热性却比铜高出四倍。那为什么不直接用它来给芯片导热？

这是因为，高品质的金刚石制备特别困难，而且价格昂贵。即便是铜金刚石复合材料，在加工成液冷需要的精细结构时，也存在良率低、成本高、一致性不好把控的实际情况。

这也意味着在现在的技术条件下，没办法满足大规模量产的需求，而纯铜液冷板的制造工艺却更加成熟可靠。

来自北京安泰钢研的铜金刚石复合材料

目前，铜和金刚石的复合材料能够通过粉末冶金等成熟工艺来进行制造，导热系数通常在550-1000W/m·K之间，结合可加工性和成本来看，综合性能比纯铜要高很多。

希禾增材并非直接对铜金刚石复合材料进行整体打印，而是在铜金刚石基板表面进行嫁接打印纯铜结构。

因为纯铜对绿激光有更高的吸收率，打印时能实现稳定熔化和高质量成型，从而能够在高导热基板表面高效构建复杂散热结构。

同时，绿激光打印具有能量耦合稳定、热输入可控等特点，有助于减少对金刚石相以及复合材料基板的热影响，从而降低热损伤风险。

3D打印的一个重要优势，是能够一体制造出超薄壁、复杂微流道和TPMS晶格等散热能力更强的复杂结构。

对于传统加工技术来说，上述这些结构不仅无法加工，且流程往往非常复杂。涉及到分体加工、逐一焊接，不仅容易产生质量风险，还会增加热阻。而3D打印只需要一次打印，就能完整制造。对于传统而言，这无疑就是颠覆。

希禾增材3D打印铜金刚石高散热结构

根据希禾增材近日展示的案例成果，其在铜金刚石基板上，成功使用绿激光3D打印了带有复杂曲面以及TPMS晶格的复合结构。

笔者进一步向希禾增材进行了咨询，该复合基板的导热系数达到了700–800W/m·K，远远比纯铜400W/m·K的室温热导率高。

此外，打印成形区域的致密度达到99%以上，展示出该解决方案具备规模化应用的潜力。

讨论

在保留铜金刚石材料高导热优势的基础上，在其之上通过3D打印直接构建复杂的散热结构，消除传统焊接带来的热阻、渗漏风险，该方案给高性能热管理器件的一体化制造提供了新的工艺途径。

同时，这一方案还进一步展现出“先进材料+先进结构+3D打印”能够实现更高性能制造的特点。

希禾增材表示，将继续发挥绿激光3D打印的优势，进一步优化工艺和设计，不断完善铜金刚石复合材料散热产品，开发更优的散热部件。